Метод калибровки имитаторов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем Российский патент 2019 года по МПК G01S7/40 G01S19/23 

Изобретение относится к области радиотехники - радионавигации. Оно может применяться для калибровки имитаторов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в части оценки значения систематической погрешности формирования беззапросной дальности (псевдодальности). Подобная калибровка необходима для обеспечения единства измерений имитаторов сигналов ГНСС, которые в свою очередь применяются для метрологического обеспечения единства измерений навигационной аппаратуры потребителей ГНСС и беззапросных измерительных систем.

В настоящее время применяются два основных метода калибровки имитаторов сигналов ГНСС [Plumb, J.; Larson, K.М.; White, J. & Powers, E. Absolute calibration of a geodetic time transfer system // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2005, 52, 1904-1911]:

1. Метод калибровки с применением опорного приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в качестве эталона.

2. Метод калибровки с применением широкополосного осциллографа по минимуму амплитуды формируемого навигационного сигнала.

Первый метод характеризуется малыми материальными затратами, обеспечивает неопределенность калибровки на уровне 0,3 м (эквивалентно 1 нс), но имеет большой недостаток - фактически оценивается не погрешность формирования псевдодальности, а разность этих погрешностей для разных типов имитаторов. То есть обеспечивается лишь оценка сходимости разных имитаторов между собой, что порождает разность систематических погрешностей формирования псевдодальностей между имитаторами разных типов.

Второй метод этого недостатка лишен, но неопределенность калибровки этим методом превышает 0,15 м (эквивалентно 0,5 нс). Второй существенный недостаток - такой метод применим только при условии работы по навигационным сигналам с одной квадратурной составляющей, что ограничивает возможность его применения, т.к. в настоящее время все сигналы всех действующих ГНСС имеют как минимум 2 квадратурные составляющие.

Задачей изобретения является создание метода калибровки имитаторов сигналов ГНСС, позволяющего проводить калибровку по навигационным сигналам с двумя квадратурными составляющими во всех частотных диапазонах действующих ГНСС с обеспечением прослеживаемое™ результатов калибровки к государственным первичным эталонам единиц величин.

Как известно, формируемая имитатором сигналов ГНСС псевдодальность - это интервал времени между событием шкалы времени имитатора и соответствующим событием в формируемом сигнале ГНСС. Если на имитаторе задать сценарий имитации без учета атмосферы и прочих эффектов, с неподвижными навигационными космическими аппаратами (НКА) на нулевом расстоянии от потребителя, без отклонений шкал времени НКА от системной шкалы времени (то есть опорной шкалы времени имитатора), то формируемая псевдодальность будет нулевой, а фактический интервал времени будет соответствовать инструментальной погрешности имитатора сигналов. Задача калибровки имитатора сигналов ГНСС сводится к измерению интервала времени между событием шкалы времени имитатора и соответствующим событием в формируемом навигационном сигнале при условии формирования нулевой псевдодальности.

Поставленная задача решается путем математической обработки формируемого навигационного сигнала после захвата высокочастотным аналого-цифровым преобразователем с частотой дискретизации на порядок выше рабочей частоты навигационного сигнала. Математическая обработка сводится к цифровой демодуляции с разделением синфазной и квадратурной составляющих, фильтрации цифровым сглаживающим фильтром и поиску перехода фронта модулирующей последовательности через ноль.

Для снижения неопределенности измерений необходимо обеспечить максимально равномерное групповое время запаздывания (ГВЗ) высокочастотного тракта схемы измерений для всех рабочих частот. Это достигается следующими мерами:

1. Применение аналого-цифрового преобразования (АЦП) без переноса частоты, то есть с частотами дискретизации как минимум в 2 раза больше частоты несущей навигационного сигнала. В этом случае длина радиочастотного тракта минимальна, минимальны и некомпенсированные задержки радиосигнала.

2. Демодуляция сигнала и все преобразования проводятся в цифровом виде, что позволяет устранить влияние аналоговых частей радиочастотного тракта (фильтров, усилителей, смесителей и т.д.)

3. Применение аналого-цифрового преобразования и к сигналу метки времени имитатора сигналов ГНСС. Это обеспечивает «симметричность» схемы измерений, то есть при использовании двухканального АЦП на один вход подается навигационный высокочастотный сигнал, а на другой - сигнал метки времени. После получения измерений, можно поменять местами входные сигналы и повторить измерения, устранив тем самым систематическую разницу задержек в каналах АЦП.

4. В качестве фильтра низких частот следует использовать фильтр при сглаживании данных методом наименьших квадратов - сглаживающий МНК-фильтр первого порядка, который имеет линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ), а следовательно ГВЗ фильтра не зависит от частоты.

Калибровка имитаторов сигналов ГНСС представляет собой измерение временных интервалов с помощью высокочастотного АЦП, в качестве которого может быть использован цифровой осциллограф. То есть результаты калибровки могут быть прослежены до первичных эталонов единиц величин в соответствии с государственными поверочными схемами для цифровых осциллографов.

Предложенный метод позволяет осуществлять, калибровку имитаторов сигналов ГНСС в части оценки значения систематической погрешности формирования псевдодальности с неопределенностью не более 0,03 м (эквивалент 0,1 нс).

Технический результат заключается в повышении точности калибровки имитаторов сигналов ГНСС в части систематической инструментальной погрешности формирования псевдодальностей, в обеспечении прослеживаемости результатов калибровки к первичным эталонам единиц величин, а также возможности проведения калибровки по навигационным сигналам с двумя квадратурными составляющими во всех частотных диапазонах действующих ГНСС.

Изобретение относится к области радиотехники – радионавигации и может быть использовано для калибровки имитаторов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в части оценки значения систематической погрешности формирования беззапросной дальности (псевдодальности). Достигаемый технический результат - повышение точности калибровки имитаторов сигналов ГНСС в части систематической инструментальной погрешности формирования псевдодальностей, в обеспечении прослеживаемости результатов калибровки к первичным эталонам единиц величин, а также возможности проведения калибровки по навигационным сигналам с двумя квадратурными составляющими во всех частотных диапазонах действующих ГНСС. Указанный результат достигается за счет того, что метод калибровки имитаторов ГНСС заключается в одновременном двухканальном высокочастотном аналого-цифровом преобразовании (АЦП) формируемого навигационного сигнала и секундной метки шкалы времени имитатора сигналов, в последующей цифровой демодуляции сигналов с двумя квадратурными составляющими во всех частотных диапазонах действующих ГНСС, в фильтрации сигналов сглаживающим фильтром с линейной фазочастотной характеристикой, с последующим поиском перехода соответствующего фронта двоичной модулирующей последовательности через ноль и измерением интервала времени между найденным переходом и секундной меткой шкалы времени имитатора сигналов, который соответствует инструментальной погрешности имитатора сигналов, при этом двухканальное аналого-цифровое преобразование осуществляют с частотами дискретизации как минимум в два раза больше частоты несущей навигационного сигнала и с возможностью менять местами входные сигналы двухканального АЦП для повторения измерений.

Метод калибровки имитаторов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), заключающийся в одновременном двухканальном высокочастотном аналого-цифровом преобразовании (АЦП) формируемого навигационного сигнала и секундной метки шкалы времени имитатора сигналов, в последующей цифровой демодуляции сигналов с двумя квадратурными составляющими во всех частотных диапазонах действующих ГНСС, в фильтрации сигналов сглаживающим фильтром с линейной фазочастотной характеристикой, с последующим поиском перехода соответствующего фронта двоичной модулирующей последовательности через ноль и измерением интервала времени между найденным переходом и секундной меткой шкалы времени имитатора сигналов, который соответствует инструментальной погрешности имитатора сигналов, при этом двухканальное аналого-цифровое преобразование осуществляют с частотами дискретизации как минимум в два раза больше частоты несущей навигационного сигнала и с возможностью менять местами входные сигналы двухканального АЦП для повторения измерений.